DE19640593A1

DE19640593A1 - Verfahren zur Herstellung organischgebundener Holzwerkstoffe

Info

Publication number: DE19640593A1
Application number: DE19640593A
Authority: DE
Inventors: Volker Dipl Ing Thole; Jadranko Dipl Ing Jahic
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1996-10-01
Filing date: 1996-10-01
Publication date: 1998-04-09
Also published as: CA2216992C; US5942174A; ATE215875T1; EP0839616B1; EP0839616A3; DE59706951D1; EP0839616A2; CA2216992A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Holzwerkstoffen aus lignocellulosehaltigen Partikeln wie Späne und Fasern und organischen Bindemitteln.

Holzwerkstoffe aus Fasern, Spänen oder Strands lassen sich besonders rationell unter Verwendung organischer Bindemittel herstellen. Überwiegend werden Kondensationsharze (Harnstoff- und Phenolformaldehyd) und Isocyanate sowie Abmischungen dieser Bindemittel zur Verleimung eingesetzt. Die Erhärtungszeit organischer Bindemittel ist temperatur- und zeitabhängig. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit erfolgt die Verdichtung der aus beleimten Partikeln gebildeten Vliese daher in Heißpressen. Die Preßzeit wird neben anderen Faktoren (Bindemitteltyp, Form der Partikel, Vliesstruktur) entscheidend durch die Zeit bestimmt, die zur Erwärmung des Vlieses auf die Geliertemperatur des Bindemittels erforderlich ist. Da die Wirtschaftlichkeit der Holzwerkstoffherstellung maßgeblich durch die notwendige Preßzeit t_p beeinflußt wird, ist eine schnelle Durchwärmung des Vlieses anzustreben. Die Wärmeübertragung von den heißen Preßplatten in das Vlies erfolgt durch Wärmeleitung und Strömung. Hohe Dichten bewirken einen hohen Strömungswiderstand, geringe Feuchten sind ungünstig für die Wärmeleitung. Die mechanischen Anforderungen an Holzwerkstoffe verlangen aber Plattendichten, bei denen sich der hohe Strömungswiderstand bereits merklich auf die Preßzeit auswirkt. Diesen negativen Einfluß der Dichte durch eine höhere Partikelfeuchte der gesamten Spanmasse zu kompensieren, ist nicht zweckmäßig. Zwar gelingt es die Durchwärmungszeit zu verkürzen, die gesamte Preßzeit wird aber nicht geringer, weil der Dampf über die Schmalflächen der Platte entweichen muß.

Zur Verbesserung der Durchwärmungsbedingungen wurden mehrere Verfahren vorgeschlagen und in die Praxis umgesetzt. In der DE F1658 XII/381 wird vorgeschlagen, die Feuchte der einzelnen Schichten einer Platte zu variieren. Die Durchwärmung wird begünstigt, wenn die Deckschichten deutlich feuchter sind als die Mittelschicht. Die Partikelfeuchte muß aber so eingestellt sein, daß die in die Mittelschicht eingeströmte Dampfmenge eine schnellere Erwärmung bewirkt ohne gleichzeitig einen Innendruck zu erzeugen, der die Leimfugen zwischen den Mittelschichtpartikeln beim Öffnen der Presse zerstört. (Platzer). Die zur Durchwärmung nutzbare Dampfenergie ist daher beschränkt.

Eine gezielte Durchwärmung mittels Dampf, der von den feuchten Deckschichten in die Mittelschicht strömt, ist der physikalische Hintergrund des von Klauditz entwickelten Dampfstoßverfahrens. Hierbei werden die Deckschichten eines Spanplattenvlieses mit Wasser besprüht. Das Aufsprühen von Wasser auf die Deckschichten (Befeuchten) ist in bezug auf die Durchwärmung besser, als die Verwendung von Spänen mit höherer Feuchte. Die Verdampfung von Wasser, das als Feuchte in der Holzstruktur eingebunden ist, erfordert mehr Energie, als daß auf den Spanoberflächen angelagerte Wasser (Kollmann, HRW 1957, S. 35-44; Keylwerth, Holzforschung und Holzverwertung 1959, S. 51-57; Stegmann, v. Bismark, Holzforschung und Holzverwertung 1967, S. 53-59).

Die Zeit bis zur Erwärmung der Vliesmitte auf Siedetemperatur ist abhängig von der Heizplattentemperatur und von der pro Fläche aufgesprühten Wassermenge m_w. Mehrere Untersuchungen belegen ab einer bestimmten Wassermenge einen abnehmenden Zusammenhang zwischen der aufgebrachten Wassermenge und der Durchwärmungszeit. Praktisch sind daher bei diesem Verfahren Wassermengen von mehr als 200 g/m² bei Spanplatten von 20 mm Dicke nicht zweckmäßig. Ferner vermindern hohe aufgesprühte Wassermassen die Biege- und Abhebefestigkeit. Hohe Heizplattentemperaturen begünstigen eine schnelle Verdampfung des aufgesprühten Wassers. Die Durchwärmungszeit wird kürzer.

Ein weiteres Verfahren zur Verkürzung der Preßzeit wird von Pungs und Lamberts beschrieben (HRW 1954, S. 20-25). Bei diesem Verfahren wurde die Erwärmung des Spanplattenvlieses mittels Heizplatten durch eine Hochfrequenzerwärmung ersetzt. Vorteilhaft ist dieses Verfahren, weil die Aufheizung gleichmäßig über die gesamte Plattendicke erfolgt. Nachteilig ist der hohe Bedarf an elektrischer Energie. Auch eine Vorerwärmung des Vlieses mittels Hochfrequenz konnte sich nicht durchsetzen, obwohl bei einer Spanplatte (Dicke 20 mm) die Vorerwärmung von 20°C auf 60°C die Preßzeit von 160 s auf 90 s reduzieren kann. Neben dem relativ hohen Energieaufwand ist die in der Spanplattenanlage schwer zu realisierende Abschirmung und Metallfreiheit von angrenzenden Anlagenteilen besonders nachteilig.

Die Durchwärmung des Vlieses mittels Dampf wird im US-Patent 4.517.147 beschrieben. Bei diesem System sind die Preßplatten mit Bohrungen versehen, durch die beim Schließen der Presse Dampf über die Plattenfläche in das Vlies eingeblasen wird. Die freiwerdende Kondensationswärme bewirkt eine schnelle Durchwärmung des Vlieses. Der hohe maschinelle Aufwand ist zur Zeit nur bei der Herstellung dicker Platten und Dämmvliesen, die aufgrund ihrer geringen Dichte eine schlechte Wärmeleitung haben, gerechtfertigt.

Die bisher bekannten Verfahren zur schnelleren Durchwärmung eines Vlieses aus span- oder faserförmigen Partikeln, erfordern immer dann besondere aufwendige Einrichtungen, wenn eine Preßzeit angestrebt wird, die kürzer ist als beim Dampfstoßverfahren nach Klauditz.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem, in einer konventionellen Heizpresse Preßzeiten realisiert werden können, die deutlich kürzer sind als beim Dampfstoßverfahren.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. In den Ansprüchen 2 bis 9 sind vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens angegeben.

Entscheidend für die schnelle Durchwärmung ist die Dampfdruck- und Temperaturdifferenz zwischen den Deckschichten und der Mittelschicht und ein relativ geringer Strömungswiderstand in der Mittelschicht der Platte. Nach der Verdichtung des Vlieses in der Heißpresse unterhalb der Sollplattendicke (Preßphase t₀), wird das in der Deckschicht vorhandene Wasser, begünstigt durch guten Wärmeübergang aufgrund der hohen Dichte, schnell in die Dampfphase überführt. Bei der Vergrößerung des Preßplattenabstandes auf Plattendicke (Preßphase t_H), wird der Strömungswiderstand deutlich vermindert, der in den Deckschichten gespeicherte Dampf strömt in die Mittelschicht. Überraschenderweise hat sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren herausgestellt, daß eine Überverdichtung des Vlieses in der Heißpresse sich nicht oder nur unwesentlich auf die mechanischen Eigenschaften der Platte auswirkt. Mit einem bisher nicht bekannten "sekundärem Dampfstoßeffekt" wird eine sehr schnelle Durchwärmung des Vlieses eingeleitet. Bei einer genauen Abstimmung der Einflußparameter Preßtemperatur, Spanfeuchte, Überverdichtungszeit, Partikelabmessungen und Schließ- bzw. Öffnungsgeschwindigkeit können Durchwärmungsgeschwindigkeiten von mehr als 10°C/s erreicht werden. Zusätzliche Einrichtungen wie Heizeinrichtungen und Dampferzeuger sind nicht erforderlich. Feuchte Deckschichtpartikel an Stelle einer Wasserbedüsung sind besonders bei der Herstellung von MDF vorteilhaft, da hierdurch eine Fleckenbildung verhindert wird.

Bei Fertigung von dicken Platten folgt nach der Vergrößerung des Preßplattenabstandes auf Solldicke eine weitere Überverdichtungsphase. Es hat sich gezeigt, daß bei einer erneuten Überverdichtung wieder eine hohe Temperatur- und Druckdifferenz zwischen dem äußeren Plattenbereich und der Mittelschicht entsteht. Dies kann zu einer schnellen Durchwärmung der Mittelschicht auch dann genutzt werden, wenn die Dampfmenge der ersten Phase zur Durchwärmung auf Siedetemperatur nicht ausreichte. Auch ein pulsierendes Öffnen und Schließen der Presse, bis die Temperatur in der Mittelschicht 100°C beträgt, ist möglich.

Werden Vliese zu Platten verpreßt, die ein hohes Rückfederungsverhalten zeigen, kann die Presse nach der Überverdichtung kurzzeitig weiter geöffnet werden als es der Plattendicke entspricht (Preßplattenabstand < Solldicke der Platte). Der Strömungswiderstand ist dann noch geringer, die Durchwärmung insbesondere dicker Platten wird begünstigt.

Als Bindemittel können alle üblichen Kondensationsleime und Isocyanat verwendet werden. Ein besonderer Vorteil dieses Verfahrens ist es auch, daß solche Bindemittel wirtschaftlich eingesetzt werden können, die vor der eigentlichen Erhärtung zunächst aufquellen müssen. Solche Bindemittel enthalten z. B. Stärke oder Proteine.

Das Verfahren wird anhand der nachfolgenden Beispiele und Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Erwärmung der Mittelschicht bei der Herstellung von Spanplatten entsprechend Beispiel 1, 2 und 5 in Abhängigkeit von der Zeit und den Preßbedingungen mit und ohne Oberflächenbefeuchtung.

Fig. 2 Preßplattenabstand und Temperaturverlauf in der Deck- bzw. Mittelschicht bei der Herstellung einer Spanplatte mit sekundärem Dampfstoß entsprechend Beispiel 9.

Fig. 3 Ausschnitt A von Fig. 2.

Fig. 4 Preßplattenabstand und Temperaturverlauf in der Deck-, Zwischen- und Mittelschicht bei der Heißpressung von Holzwerkstoffen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und einem zweifachen sekundären Dampfstoß.

Beispiel 1

Zur Herstellung einer einschichtigen Spanplatte, Rohdichte 650 kg/m³, Dicke 16 mm wurden die auf eine Feuchte von 3% getrockneten Späne mit einem üblichen Harnstoff-Formaldehydharz beleimt (Leimanteil 10% bezogen auf atro Späne). Bei einem Festharzgehalt in der Leimflotte von 60% betrug die Spanfeuchte nach dem Beleimen 9,6%. Die Beleimten Späne werden zu einem Vlies gestreut und mittels einer Heißpresse, Preßplattentemperatur 220°C, verdichtet. Zur Heißpressung wurde ein konventionelles Preßprogramm verwendet, d. h., nachdem der Preßplattenabstand auf Vliesdicke vermindert wurde, erfolgte die Verdichtung des Vlieses auf Solldicke der Platte mit einer Verdichtungsgeschwindigkeit von 7 mm/s. Mit einem in die Vliesmitte eingelegten Thermoelement wurde nach 110 s eine Temperatur von 100°C ermittelt (Preßphase t_D). Bei der gewählten spezifischen Preßzeit von 11 s/mm mußte die Platte für weitere 66 s (Preßphase t_H) in der Presse verbleiben. Der Temperaturverlauf entspricht der Kurve 1 in Fig. 1.

Beispiel 2

Mit dem gleichen beleimten Spanmaterial und dem gleichen Preßprogramm wurde eine weitere Platte hergestellt. Im Unterschied zum Beispiel 1 wurde aber auf jede Vliesoberfläche eine Wassermenge entsprechend 100 g/m² aufgesprüht. Bedingt durch den Dampfstoß wurde in der Vliesmitte bereits nach 90 s (Preßphase t_D) eine Temperatur von 100°C erreicht (Kurve 2 in Fig. 1). Zur Aushärtung des Leims war wie in Beispiel 1 (Preßphase t_H) eine weitere Preßzeit von 66 s erforderlich. Hieraus ergibt sich eine Gesamtpreßzeit t_ges von t_ges = 156 s. Die Preßzeitverkürzung betrug bei der neuen spezifischen Preßzeit von 9,75 s/mm gegenüber der Preßzeit in Beispiel 1, 28 s.

Beispiel 3

Ein wie in Beispiel 2 vorbereitetes Vlies wurde in der Heißpresse mit der Verdichtungsgeschwindigkeit von 7 mm/s zunächst auf eine Plattendicke von 14 mm verdichtet. Bei einer Temperatur von 80°C in der Plattenmitte wurde der Preßplattenabstand auf die Solldicke der Platte (16 mm) vergrößert. Die Durchwärmungszeit bis auf eine Plattenmittentemperatur von 100°C betrug 77 s. Hieraus ergibt sich eine Gesamtpreßzeit t_ges von t_ges = 143 s. Die Preßzeitverkürzung betrug bei der neuen spezifischen Preßzeit von 8,9 s/mm, gegenüber der Preßzeit in Beispiel 1,33 s.

Beispiel 4

Ein wie in Beispiel 2 vorbereitetes Vlies wurde in der Heißpresse mit der Verdichtungsgeschwindigkeit von 7 mm/s zunächst auf eine Plattendicke von 14 mm verdichtet. Bei einer Temperatur von 70°C in der Plattenmitte wurde der Preßplattenabstand auf die Solldicke der Platte (16 mm) vergrößert. Die Durchwärmungszeit bis auf eine Plattenmittentemperatur von 100°C betrug 68 s. Hieraus ergibt sich eine Gesamtpreßzeit t_ges von t_ges = 134 s. Die Preßzeitverkürzung betrug bei der neuen spezifischen Preßzeit von 8,3 s/mm, gegenüber der Preßzeit in Beispiel 1,42 s.

Beispiel 5

Ein wie in Beispiel 2 vorbereitetes Vlies wurde in der Heißpresse mit der Verdichtungsgeschwindigkeit von 7 mm/s zunächst auf eine Plattendicke von 14 mm verdichtet. Bei einer Temperatur von 70°C in der Plattenmitte wurde der Preßplattenabstand auf die Solldicke der Platte (16 mm) vergrößert. Die Durchwärmungszeit bis auf eine Plattenmittentemperatur von 100°C betrug 52 s (Kurve 3 in Fig. 1). Hieraus ergibt sich eine Gesamtpreßzeit t_ges von t_ges = 118 s. Die Preßzeitverkürzung beträgt bei der neuen spezifischen Preßzeit von 7,3 s/mm, gegenüber der Preßzeit in Beispiel 1,58 s.

Beispiel 6

Zur Herstellung einer MDF, Rohdichte 800 kg/m³, Dicke 16 mm wurden die auf eine Feuchte von 3 % getrockneten Späne mit einem üblichen Harnstoff-Formaldehydharz, Leimanteil 10% bezogen auf atro Fasern, beleimt. Bei einem Festharzgehalt in der Leimflotte von 60% beträgt die Faserfeuchte nach dem Beleimen 9,6%. Die beleimten Fasern wurden zu einem Vlies gestreut und nach einer Vorverdichtung, mittels einer Heißpresse (Preßplattentemperatur 220°C) verdichtet. Zur Heißpressung wurde ein konventionelles Preßprogramm verwendet. D.h., nachdem der Preßplattenabstand auf Vliesdicke vermindert wurde, erfolgte die Verdichtung des Vlieses auf Solldicke der Platte mit einer Verdichtungsgeschwindigkeit von 7 mm/s. Mit einem in die Vliesmitte eingelegten Thermoelement wurde nach 132 s eine Temperatur von 100°C ermittelt (Preßphase t_D). Bei der gewählten spezifischen Preßzeit von 13 s/mm mußte die Platte für weitere 76 s (Preßphase t_H) in der Presse verbleiben.

Beispiel 7

Mit dem gleichen beleimten Faserstoff wie in Beispiel 6 wurde eine weitere Platte hergestellt. Im Unterschied zum Beispiel 6 wurde aber nach der Vorverdichtung auf jede Vliesoberfläche eine Wassermenge entsprechend 100 g/m² aufgesprüht. In der Heißpresse wurde das Vlies zunächst auf eine Plattendicke von 14 mm verdichtet. Bei einer Temperatur von 60°C in der Plattenmitte wurde der Preßplattenabstand auf die Solldicke der Platte (16 mm) vergrößert. Die Durchwärmungszeit bis auf eine Plattenmittentemperatur von 100°C betrug 55 s. Hieraus ergibt sich eine Gesamtpreßzeit t_ges von t_ges = 121 s. Die Preßzeitverkürzung betrug bei der neuen spezifischen Preßzeit von 7,6 s/mm, gegenüber der Preßzeit in Beispiel 6, 87 s.

Beispiel 8

Ein wie in Beispiel 7 vorbereitetes Vlies wurde in der Heißpresse mit der Verdichtungsgeschwindigkeit von 7 mm/s zunächst auf eine Plattendicke von 14 mm verdichtet. Bei einer Temperatur von 40°C in der Plattenmitte wurde der Preßplattenabstand auf die Solldicke der Platte (16 mm) vergrößert. Die Durchwärmungszeit bis auf eine Plattenmittentemperatur von 100°C betrug 27 s. Hieraus ergibt sich eine Gesamtpreßzeit t_ges von t_ges = 143 s. Die Preßzeitverkürzung betrug bei der neuen spezifischen Preßzeit von 6,43 s/mm, gegenüber der Preßzeit in Beispiel 6, 105 s.

Beispiel 9

Ein wie in Beispiel 2 vorbereitetes Vlies wurde in der Heißpresse mit der Verdichtungsgeschwindigkeit von 7 mm/s zunächst auf eine Plattendicke von 14 mm verdichtet. Bei einer Temperatur von 70°C in der Plattenmitte wurde der Preßplattenabstand auf 17 mm erhöht und nach einer Zeit von 3 s auf die Solldicke der Platte (16 mm) verringert. Die Durchwärmungszeit bis auf eine Plattenmittentemperatur von 100°C betrug 45 s (Fig. 2). Hieraus ergibt sich eine Gesamtpreßzeit t_ges von t_ges = 111 s. Die Preßzeitverkürzung betrug bei der neuen spezifischen Preßzeit von 6,9 s/mm, gegenüber der Preßzeit in Beispiel 1, 65 s.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Holzwerkstoffen aus lignocellulosehaltigen Partikeln und organischen Bindemitteln, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vlies in der Heißpresse für die Zeit von 20 . . 90 s in einem überverdichteten Zustand entsprechend 0,80 . . . 0,98 d_Soll verbleibt (Preßphase t₀), mindestens aber für die Zeitspanne, bis in den durch Aufsprühen von 50 . . 100 g Wasser pro Vliesseite aufgefeuchteten Deckschichten eine Änderung des Aggregatzustandes des Wassers von der flüssigen Phase in die Dampfphase stattgefunden hat und der Energiegehalt des Dampfes ausreichend ist, um bei anschließenden Vergrößerung des Preßplattenabstandes auf die Solldicke der Platte (d_Soll) (Preßphase t_H) in der Vliesmitte eine spontane Temperaturerhöhung T von mindestens 15°C einzuleiten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vliesoberflächen durch Aufsprühen einer Wassermenge m_w pro mm Plattendicke d von 4,5 g/m² d m_w 10 d g/m² deutlich feuchter eingestellt werden als die Mittelschichtpartikel.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Deckschichtpartikel nach dem Beleimen eine Feuchte pro mm Plattendicke d von 1,25% d 7% d aufweisen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßplattenabstand auf Solldicke der Holzwerkstoffplatte vergrößert wird, wenn in der Plattenmitte eine Temperatur zwischen 25°C und 90°C erreicht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßplattenabstand auf Solldicke der Holzwerkstoffplatte vergrößert wird, wenn in einem von der Solldicke des Holzwerkstoffes abhängigem Bereich von 1 mm unterhalb der Plattenoberfläche und 1,5 mm oberhalb der Plattenmitte die Siedetemperatur des Wassers erreicht wird.

6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar nach der Vergrößerung des Preßplattenabstandes auf die Solldicke der Holzwerkstoffplatte erneut eine Überverdichtung und eine Vergrößerung des Preßplattenabstandes auf Solldicke erfolgen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Überverdichten und Vergrößern des Preßplattenabstandes auf Solldicke wiederholt werden.

8. Verfahren nach einem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Preßplattenabstand weiter vergrößert wird als es der Solldicke der Holzwerkstoffplatte entspricht und daß nach einer Wartezeit von weniger als 5 s der Preßplattenabstand auf die Solldicke der Holzwerkstoffplatte reduziert wird.

9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Vergrößerung des Preßplattenabstandes auf die Solldicke ein spezifischer Preßdruck p_s von 0,1 N/mm² p_s 1,0 N/mm² vorliegt.